Medienmitteilung der Universität Basel vom 03.03.2021

Eine internationale Forschungsgruppe unter Leitung der Universität Basel hat eine vielversprechende Strategie für therapeutische Krebsimpfungen entwickelt. Mit zwei unterschiedlichen Viren als Vehikel verabreichten sie im Tierversuch krebskranken Mäusen spezifische Tumorbestandteile und regten damit ihr Immunsystem an, den Tumor anzugreifen. Der Ansatz wird nun in klinischen Studien getestet.

Das Immunsystem als Verbündeten im Kampf gegen Krebs einzusetzen, ist Basis einer ganzen Palette von modernen Krebstherapien. Ein Ansatz ist dabei die sogenannte therapeutische Krebsimpfung: Nach der Diagnose ermitteln Fachleute, welche Bestandteile des Tumors als Erkennungsmerkmal für das Immunsystem dienen könnten. Anschliessend verabreichen sie der Patientin oder dem Patienten genau diese Bestandteile durch eine Impfung, um eine möglichst starke Immunreaktion gegen den Tumor auszulösen.

Als Vehikel, welche die charakteristischen Tumormoleküle in den Körper einbringen sollen, dienen unschädlich gemachte Viren. Allerdings scheiterten bisher viele Versuche für eine solche Krebstherapie an einer zu wenig effizienten Immunantwort. Eine Hürde besteht darin, dass der Tumor aus körpereigenen Zellen besteht und das Immunsystem Sicherheitsvorkehrungen trifft, um diese nicht anzugreifen. Zudem richten sich die Immunzellen oft mehr gegen das – körperfremde – Virusvehikel als gegen seine – körpereigene – Fracht. Somit blieb bei fast allen bisher entwickelten Krebstherapien dieser Art der erhoffte Schlag gegen den Tumor aus. Denn das richtige Vehikel ist ebenso bedeutend für die Wirksamkeit wie die Wahl des richtigen Tumorbestandteils als Angriffspunkt.

Arenaviren als Vehikel

Die Forschungsgruppe um Prof. Dr. Daniel Pinschewer von der Universität Basel hat bereits in früheren Studien entdeckt, dass sich Viren aus der Familie der Arenaviren als Vehikel gut eignen, um eine starke Immunantwort auszulösen. Nun berichten sie im Fachblatt «Cell Reports Medicine», dass die Kombination aus zwei verschiedenen Arenaviren im Tierversuch vielversprechende Resultate lieferte.

Die Forschenden setzten dabei auf zwei sehr weit entfernt verwandte Arenaviren namens Pichinde Virus und Lymphozytäres Choriomeningitis Virus, die sie mit molekularbiologischen Verfahren für die Verwendung als Impfvektor anpassten. Verabreichten sie den gewählten Tumorbestandteil zunächst mit dem einen Virus und zu einem späteren Zeitpunkt mit dem anderen, verschob sich das Ziel der Immunantwort vermehrt vom Vehikel auf die Fracht. «Indem wir nacheinander zwei verschiedene Viren verwenden, fokussieren wir die ausgelöste Immunantwort auf das, worauf es ankommt, nämlich das Tumormolekül», erklärt Pinschewer.

Tumor eliminiert oder verlangsamt

Bei Versuchen mit Mäusen konnten die Forschenden eine starke Aktivierung der sogenannten T-Killerzellen messen, die die entarteten Krebszellen eliminierten. Bei etwa 20 bis 40 Prozent der Tiere – je nach Art ihrer Krebserkrankung – verschwand der Tumor, während sich bei weiteren das Tumorwachstum zumindest temporär verlangsamte.

«Über die Wirksamkeit dieser neuen Therapieform beim Menschen können wir zwar im Moment noch nichts sagen», gibt Pinschewer zu bedenken. Laufende Studien mit einer Krebstherapie, die auf nur einem einzelnen Arenavirus basiert, wiesen aber bereits erste vielversprechende Ergebnisse aus. Effekte auf Tumore im Tierversuch liessen sich nicht eins zu eins auf die entsprechenden Krebserkrankungen beim Menschen übertragen. «Da die Therapie mit zwei verschiedenen Viren bei Mäusen aber besser wirkt als die Therapie mit nur einem Virus, stimmen mich unsere Forschungsresultate optimistisch», fügt Pinschewer hinzu.

Das Biotech-Unternehmen Hookipa Pharma, zu dessen Gründern auch Pinschewer gehört, untersucht die Wirksamkeit dieses neuartigen Ansatzes zur Krebstherapie am Menschen nun in klinischen Studien. «Im Moment wird getestet, was unser Ansatz bewirken kann», so der Forscher. «Bewährt er sich, wären auch Kombinationen mit bestehenden Therapien denkbar, sodass die miteinander verzahnten Wirkmechanismen Tumore noch besser ausmerzen können.»

Originalpublikation:
Weldy V. Bonilla et al.
Heterologous arenavirus vector prime-boost overrules self-tolerance for efficient tumor-specific CD8 T cell attack
Cell Reports Medicine (2021), doi: 10.1016/j.xcrm.2021.100209

Externer Link: www.unibas.ch

Medienmitteilung der Universität Innsbruck vom 26.01.2021

Neue Verfahren ermöglichen schnelleren Nachweis von Virusmutationen

Das Spin-off Sinsoma hat gemeinsam mit Forscher*innen der Universität Innsbruck zwei neue Verfahren entwickelt, die Varianten des Coronavirus schneller und effizienter identifizieren können als bisherige Methoden. Mit einem selbst entwickelten PCR-Test lässt sich die britische Coronavirus-Variante in nur drei Stunden ausschließen. Durch ein effizientes Sequenzierungsverfahren können die britische sowie weitere Varianten innerhalb von 48 Stunden nachgewiesen werden.

Bereits im vergangenen März, kurz nach Auftreten der ersten Covid-19-Fälle in Österreich, hat das Spin-off-Unternehmen Sinsoma gemeinsam mit den Instituten für Zoologie und Mikrobiologie der Universität Innsbruck ein Testverfahren zum Nachweis von SARS-CoV-2, dem Erreger von Covid-19, entwickelt, das seit Mitte Mai 2020 erfolgreich im Einsatz ist. Den Wissenschaftler*innen ist es nun gelungen, ein weiteres PCR-Verfahren zu etablieren, das bei positiven PCR-Tests innerhalb kürzester Zeit das Vorliegen der britische Coronavirus-Variante mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit ausschließen kann. „Dank der abgewandelten Methode unseres PCR-Verfahrens können wir die britische Variante in nur drei Stunden praktisch ausschließen. Das ist durch den Nachweis einer bestimmten Veränderung im für das Coronavirus charakteristischen Spike-Protein möglich. Diese Mutation kommt in über 99 Prozent aller Fälle der britischen Coronanvirus-Variante vor, weshalb wir bei ihrem Fehlen sehr sicher sagen können, dass es sich nicht um diese Variante des Coronavirus handelt“, erklärt Martina Gruber aus dem Entwicklungsteam von Sinsoma. „Unsere Methode unterscheidet sich auch dadurch, dass wir ein eindeutiges Ergebnis erhalten, bei dem wir wissen, ob es sich entweder um die mutierte oder die ursprüngliche Variante des Coronavirus handelt. Vergleichbare Verfahren liefern bislang ein negatives Ergebnis im Fall einer Mutation, wodurch sie fehleranfälliger sind“, ergänzt Corinna Wallinger, eine Mitgründerin von Sinsoma.

Effizientes Sequenzierungsverfahren

Neben dieser Vorselektion zum Ausschluss der britischen Variante haben die Wissenschaftler*innen auch eine effiziente Vorgangsweise zur Sequenzierung des Coronavirus-Erbguts entwickelt, mit der sie neben der britischen Variante auch weitere, wie etwa die brasilianische oder südafrikanische Variante, in nur 48 Stunden nachweisen können. Während bisherige Sequenzierungsverfahren meist das gesamte Genom des Coronavirus untersuchen, fokussieren die Forscher*innen bei Sinsoma sich nur auf einen kleinen Teil. „Auf der Suche nach möglichen Virus-Mutationen untersuchen wir gezielt einen bestimmten Abschnitt des Virus Genoms, der eine Identifizierung der oben genannten Varianten erlaubt“, erklärt Martina Gruber. „Das erspart uns einiges an Zeit“, so Gruber weiter. Während viele Labore auf vorgefertigte Testverfahren zur Detektion von Virusmutationen angewiesen sind, profitiert das Team von Sinsoma um Michael Traugott, Professor am Institut für Zoologie der Universität Innsbruck, von einer langjährigen Forschungspraxis. Sie sind Spezialist*innen für die DNA/RNA-Spuren-Analyse und können dadurch rasch maßgeschneiderte und effiziente Lösungen entwickeln und schnell auf Markterfordernisse reagieren. Die entwickelten Verfahren stehen ab sofort zur Verfügung und sollen helfen, das Auftreten und die weitere Verbreitung von Coronavirus-Mutationen frühzeitig zu erkennen.

Externer Link: www.uibk.ac.at

Presseaussendung der TU Graz vom 14.12.2020

Forschern von TU Graz und acib gelingt die erste enzymgetriebene biokatalytische Synthese von Nukleinsäure-Grundbausteinen. Das erleichtert die Entwicklung antiviraler Wirkstoffe und RNA-basierter Therapeutika.

Durch die COVID-19-Pandemie und die damit verbundene intensive Suche nach Therapeutika und Impfstoffen erfährt die chemische Substanzklasse der Nukleoside ein enorm verstärktes Interesse. Natürliche und synthetische Nukleoside haben eine antivirale Wirkung und können als Bausteine von Ribonukleinsäuren (RNA) fungieren. Eingebaut in RNA ergeben sich neuartige Wechselwirkungen innerhalb des Makromoleküls mit positiven Konsequenzen für die Stabilität und biologische Wirksamkeit.

In der medizinischen Chemie besonders gefragt ist die Molekülfamilie der Kohlenstoff-(C-)Nukleoside: Diese unterscheiden sich von den natürlich häufiger vorkommenden Stickstoff-(N-)Nukleosiden – den klassischen Bausteinen von RNA – durch die Art der Verknüpfung zwischen dem Zucker und der sogenannten Nukleinbase. Anstelle einer Kohlenstoff-Stickstoff-Bindung haben C-Nukleoside eine Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung. Diese ist biochemisch deutlich stabiler und verleiht Wirkstoffen eine höhere biologische Halbwertszeit. Erstmals ist es nun zwei Forschern von der TU Graz und des Kompetenzzentrums acib gelungen, C-Nukleoside mithilfe von Enzymen biokatalytisch herzustellen. Die konkreten Ergebnisse legen sie aktuell in Nature Communications vor.

Ja zum Enzym „YeiN“

Bernd Nidetzky, Leiter des Instituts für Biotechnologie und Bioprozesstechnik der TU Graz und gleichzeitig Wissenschaftlicher Leiter des Austrian Centre of Industrial Biotechnology (acib) sowie Martin Pfeiffer vom acib entdeckten und charakterisierten in einer Studie das Enzym „YeiN“, das die beiden Nukleosid-Bausteine Ribose-5-phosphate und Uracil mittels einer spezifischen Kohlenstoff-Bindung verknüpfen kann. Als weltweit erste Forscher zeigen sie damit ein Enzym, das ein geeigneter Biokatalysator ist für die Herstellung von C-Nukleosiden.

Effiziente und umweltschonende Herstellung

Die Grazer konnten mithilfe der katalytischen Kraft von „YeiN“ mehrere Derivate des wichtigen C-Nukleoids Pseudouridin herstellen. Sie konnten zudem zeigen, dass eines dieser Derivate in RNA eingebaut werden kann und damit eine Modifizierung der RNA ermöglicht. Das ist für die Herstellung von RNA-basierten Therapeutika besonders relevant, da der Einbau von Pseudouridin in die RNA die Stabilität und Halbwertszeit erhöht und damit die Effektivität therapeutischer RNA, wie zum Beispiel eines Impfstoffes, verbessert. „In unserer Studie zeigen wir, dass Pseudouridin biokatalytisch hergestellt werden kann. Im Vergleich zur rein chemischen Synthese ist das ein weit effizienterer Weg, da weniger Reaktionsschritte und keine toxischen Chemikalien nötig sind. Die biokatalytische Herstellung von C-Nukleosiden ist also eine sehr starke, elegante Alternative zur klassischen chemischen Synthese und dieser in Sachen Effizienz sogar überlegen“, sagt Bernd Nidetzky. Aufbauend auf den in Nature Communications veröffentlichten Erkenntnissen kann nun an der Erweiterung des Substratspektrums von „YeiN“ geforscht werden. Das Ziel: die biokatalytische Synthese weiterer relevanter C-Nukleoside.

RNA-Impfstoffe

Seit wenigen Tagen laufen in Großbritannien die ersten flächendeckenden Impfungen gegen COVID-19 mit RNA-Impfstoffen. Diese völlig neuartigen Impfstoffe enthalten Erbinformationen des Erregers und bringen Zellen dazu, ein Virusprotein zu erzeugen, das anschließend dem Immunsystem präsentiert wird. Die darauffolgende Immunreaktion schützt den Körper vor einer tatsächlichen Virusinfektion. Ist man bereits mit dem Virus infiziert, können antivirale Medikamente eine Virusvermehrung verhindern.

Der C-Nukleosid-basierte Wirkstoff Remdesivir hat diese notwendigen antiviralen Eigenschaften und wirkt gegen eine Reihe von RNA-Viren, darunter Corona- und Ebolaviren. Der Wirkstoff hat in der EU eine bedingte Zulassung zur Behandlung von COVID-19-Erkrankten erhalten. Die biokatalytische Herstellung von C-Nukleosiden könnte diesem Hoffnungsträger sowie RNA-Impfstoffen auf Basis von C-Nukleosiden weiteren Rückenwind verschaffen. (Susanne Eigner)

Originalpublikation:
Martin Pfeiffer, Bernd Nidetzky.
Reverse C-glycosidase reaction provides C-nucleotide building blocks of xenobiotic nucleic acids.
Nature Communications, December 2020. DOI: 10.1038/s41467-020-20035-0

Externer Link: www.tugraz.at

Presseaussendung der TU Wien vom 15.12.2020

An der TU Wien werden kostengünstige Erkennungsmoleküle zum Aufspüren gefährlicher Bakterien entwickelt – mit einer Methode, die von der natürlichen Evolution inspiriert ist.

Ist die Wasserprobe trinkbar, oder ist sie mit gefährlichen Bakterien verseucht? Um solche Fragen schnell und zuverlässig beantworten zu können, ist ein Blick durchs Mikroskop nicht ausreichend. Es gibt zwar Verfahren, relativ rasch die Zahl von Bakterien in einer Probe zu messen, doch das sagt noch nichts darüber aus, ob es sich um gefährliche oder ungefährliche Bakterien handelt. Dafür braucht man spezielle Methoden – gewissermaßen einen „künstlichen Spürhund“, der sich auf Bakteriensuche begeben kann.

Spezielle Moleküle, die genau dafür eingesetzt werden können, wurden nun an der TU Wien im Rahmen des Interuniversitären Kooperationszentrums Wasser und Gesundheit (ICC Water & Health) entwickelt: Es handelt sich dabei um sogenannte Aptamere, das sind maßgeschneiderte Erkennungsmoleküle auf DNA-Basis, die genau an einen bestimmten Zelltyp ankoppeln. Erstmals ist es nun gelungen, DNA Aptamere für Fäkalbakterien in Wasser herzustellen. Die neue Aptamer-Entwicklungstechnologie wurde nun im Fachjournal „Scientific Reports“ publiziert.

Maßgeschneiderte Erkennungsmoleküle aus DNA-Bausteinen

„Aptamere sind kurze, synthetisch erzeugte DNA- oder RNA-Moleküle, die aufgrund ihrer dreidimensionalen Struktur ganz bestimmte Zielmoleküle erkennen und spezifisch binden“, erklärt Claudia Kolm (ICC Water & Health/TU Wien), die Erstautorin der Studie. „Ähnlich wie bei Antikörpern erfolgt die Bindung auch hier nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip. So binden Aptamere an ganz bestimmte Proteine und komplexe Oberflächenstrukturen von Zellen. Aber auch für kleine Moleküle, wie etwa Antibiotika oder unterschiedliche Gifte lassen sich spezifische Aptamere generieren.“

Sowohl in der Forschung als auch in der Industrie gewinnen Aptamere in letzter Zeit an Bedeutung: Man kann sie rein synthetisch herstellen, man ist daher nicht abhängig davon, bestimmte Tiere oder Zelllinien zu züchten, um am Ende die gewünschten Moleküle zu erhalten. „Die Aptamere werden in vitro generiert und lassen sich für verschiedene diagnostische Endanwendungen anpassen“, sagt Georg Reischer (ICC/TU Wien). „Ein solches Molekül direkt herzustellen ist in mehrfacher Hinsicht einfacher als eine Zelllinie zu produzieren, die dann im Bioreaktor bestimmte Antikörper erzeugt: Unsere Aptamere sind robuster und ihre Herstellung ist viel besser reproduzierbar.“

Die Nadel im Heuhaufen

Die entscheidende Herausforderung bei der Herstellung von Aptameren ist es, aus der unüberblickbaren Vielzahl möglicher DNA-Strukturen genau diejenige herauszufinden, die an eine ganz bestimmte Zelle bindet. „Wir gehen von einer großen DNA-Bibliothek aus, mit ungefähr einer Billiarde unterschiedlicher DNA-Moleküle“, sagt Claudia Kolm. „Um diesen riesigen DNA-Pool nach passenden Kandidaten zu durchforsten und die Nadel im Heuhaufen zu finden, bedient man sich eines Prozesses, der der natürlichen Evolution ähnelt.“ Dabei werden DNA-Moleküle, die an das Zielbakterium binden, selektiert und gezielt vermehrt.

„Über mehrere Runden mit zunehmenden Selektionsdruck trennt man die Spreu vom Weizen. In Kombination mit modernen Sequenziermethoden und eigens dafür entwickelten bioinformatischen Datenanalyse-Tools konnten wir ein Aptamer anreichern und identifizieren, das an Enterococcus faecalis bindet – ein Bakterium, das in Gewässern mit fäkaler Verunreinigung zu finden ist“, erklärt Claudia Kolm. Diese Bindung ist sehr spezifisch: Man führte auch Tests mit anderen, eng verwandten Bakterienspezies durch – bei ihnen zeigte das Aptamer keine Auswirkung.

„Welche Struktur an der Zelloberfläche es ist, an die das Aptamere so spezifisch bindet, ist nicht bekannt – aber das ist auch gar nicht entscheidend“, sagt Georg Reischer. „Unsere von der Evolution inspirierte Methode, in der wir Generation für Generation passgenauere Aptamere erhalten, funktioniert auch ohne die genauen Strukturen zu kennen.“ Die Aptamere kann man zusätzlich mit fluoreszierenden Farbstoffen versehen, um sie nach dem Binden an die gesuchte Zelle zuverlässig nachweisen zu können.

Die Technik zur Aptamer-Entwicklung bietet ein großes Potenzial für weitere Forschung und Entwicklung. So wird etwa bereits an DNA Aptameren für Vibrio cholerae gearbeitet – den Erreger der Cholera. (Florian Aigner)

Originalpublikation:
Kolm C., Cervenka I., Aschl U.J. et al. DNA aptamers against bacterial cells can be efficiently selected by a SELEX process using state-of-the art qPCR and ultra-deep sequencing. Sci Rep 10, 20917 (2020).

Externer Link: www.tuwien.at